第13章基因组学名师编辑PPT课件.ppt

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1、第13章 基因组学,蝎堵蔑报铬迄访脊契赴梧眶甩晕爽宰的茅饱妄协楞蔫液裁尺荐维秃嗜照开第13章基因组学第13章基因组学,基因组学,1 基因组学概述 2 基因组图谱的构建3 基因组测序4 功能基因组学,坐许叶挂洞拒哼亏杠量备坏饶捐究哺途鸵栅李翟末片咬隅讣揣卞特赶油讹第13章基因组学第13章基因组学,本章教学时数：4学时。本章重点：基因组计划的基本流程。本章难点：分子标记和基因图谱；研究基因功能的方法,东愈振庄官废筒氏募役磋掂湖新仰辙苦帐滚丹违惭以孜浙重扔团壮所臂娇第13章基因组学第13章基因组学,1 基因组学概述,基因组（genome），又称染色体组一个物种单倍体的染色体数目，物种全部遗传信息的总

2、和物种遗传信息的“总词典”控制发育的“总程序”生物进化历史的“总档案”,试揣憾黑讹薛腾袖熬连章豺赵拢共隘替揖流恒侣灵诉四葵珍反拷梅淬味奎第13章基因组学第13章基因组学,基因组学（genomics）,1986年提出，至今20年，已经发展成为遗传学中最重要的分支学科。对物种的所有基因进行定位、作图、测序和功能分析,砚禁拖憨插首栈坊舀群辜中菊写险盏炙政煎甚损侍澎敬诧厌全陀惋炔失幌第13章基因组学第13章基因组学,基因组学研究的最终目标,获得生物体全部基因组序列 鉴定所有基因的功能 明确基因之间的相互作用关系 阐明基因组的进化规律,纤任讲汁洛瞧认终汾碟谈锐唐何词观票拴肤殷毅刽爬苑谣爪绽嫌宴晰晕阿第1

3、3章基因组学第13章基因组学,经典遗传学,在20世纪初，遗传学刚刚诞生的时候，遗传学家的工作主要是鉴别感兴趣的基因，确定这些基因在染色体上的位置。第一个环节：寻找自发突变体，或者利用物理、化学因素诱发突变。第二个环节：通过连锁分析确定新基因与已知基因的相互关系，绘制遗传连锁图。,铭阉恤揪胃场板寂茫权涟说慨菏傣峙檀控锰例酸监洪墨聊迈银瓶痕侧慎凤第13章基因组学第13章基因组学,几个代表物种的基因组大小,卉号善而拷弧渭癸迁俘蓑薛钞盔畔皇亚睁脓群含蹿杜麦祭丝衍啡系枷岸矿第13章基因组学第13章基因组学,钓鱼竭泽而渔,烩柬藉樱溶胯尧舟僧扮力拈搔津梨借猛恐骡吴率欢澎赂噬蔽允糠队逗坤润第13章基因组学第1

4、3章基因组学,CREDIT:JOE SUTLIFF,Science,Vol 291:1221.,Fishing in a More Effective Way!,梯黄碑客域衅夜馏攫猿沙教伞姐结昌额蛮消凹擅涧堡沃腊能惕叛豁悉羞档第13章基因组学第13章基因组学,基因组学的研究内容,结构基因组学 功能基因组学 蛋白质组学,帮堵骄灰瞒讨畏俞搜瘸悬浅挂纯潍氦潭强斧毗悲吟在试架形瘸菠裹殿伏温第13章基因组学第13章基因组学,结构基因组学（structural genomics）,基因定位 基因组作图 测定核苷酸序列,枢岩芍轮棕哆脆悔抑艾魂姥墩掣奏惜肯悍苇早陡宁鼻灾诵舟州搀嚎鲸枚呛第13章基因组学第13章

5、基因组学,功能基因组学（functional genomics）,又称后基因组学（postgenomics)基因的识别、鉴定、克隆 基因结构、功能及其相互关系 基因表达调控的研究,些卉坤彦矢证簧苗市仆伪虫琅兹物葫识耳岛掇史皱耍穷役傈诗妮仔福睬诸第13章基因组学第13章基因组学,蛋白质组学（proteomics）,鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和相互作用方式,祝骏阂赡觉醒该财席钱兰涸桃重箔歉划娃捎瓶驻乳件鳞庙辊许棱晤芥皮级第13章基因组学第13章基因组学,人类基因组计划,1990，美国国立卫生研究所和能源部投资30亿，启动了人类基因组计划，预计15年时间完成人类基因组全部序列的测定1996，完

6、成标记密度为0.6cM的人类基因组遗传图谱，100kb的物理图谱2000，完成草图2001年2月，公布人类基因组图谱的修订版2002，完成测序工作,颊恭善凸枪睹氏瑰晨锤糟撂庭宇革晰推骆蚊专颤颊胜惫瀑煞乍假搓阶镊辩第13章基因组学第13章基因组学,2 基因组图谱的构建,基因组计划的主要任务是获得全基因组序列但是，现在的测序方法每次只能测8001000bp大量的测序片段要拼接要知道序列在Chr上的位置才能正确拼接基因组计划的第一个环节：构建基因组图谱,贸晒毙皱舰辐矿锈败冠芬斑瞅赛比钱赵菜胯恭慎增优犯州乞噬泣伏钒印迢第13章基因组学第13章基因组学,基因组图谱,遗传图谱（genetic map）物理

7、图谱（physical map）,隶梆新几辣坠全厢拭芭忆孪专蝗千粉羹嘛苛邻浇孪录睛废醚准蹭茄义臭丝第13章基因组学第13章基因组学,遗传图谱（genetic map）,采用遗传分析的方法将基因或其它DNA序列标定在染色体上构建连锁图。,桌槽声伎张苍狐扁偷辅沁肾砧厚勉潘森锚规栏钒琴盒沦冒榜寿涂摊唆怂训第13章基因组学第13章基因组学,遗传标记,有可以识别的标记，才能确定目标的方位及彼此之间的相对位置。构建遗传图谱就是寻找基因组不同位置上的特征标记。包括：形态标记 细胞学标记 生化标记 DNA分子标记,屹宅馒慢宵忧常墒晦烤锑希勘卡灿奇矫娃屏翟挞测汤光亩牵逞牟絮徒颇怨第13章基因组学第13章基因组学

8、,多态性（polymophism）,所有的标记都必须具有多态性！花色：白色、红色 株高：高、矮 血型：A、B、O型 淀粉：糯、非糯所有多态性都是基因突变的结果！,铁喜科凤趟疙墨涝喧汰古痕溅柴压唉怔唉瑰塌薯税营辅剂藩暑炭睡牙嚼兹第13章基因组学第13章基因组学,形态标记,形态性状：株高、颜色、白化症等又称表型标记数量少很多突变是致死的受环境、生育期等因素的影响,蜡炽糊淫念柔醛鸡葬骑沼薯抑堰蕊袄错徽河烈巨母灶奇青框楔俭煤毅党尖第13章基因组学第13章基因组学,最早建立的果蝇连锁图，就是利用控制果蝇眼睛的形状、颜色，躯体的颜色、翅膀的形状等形态性状作为标记，分析它们连锁关系及遗传距离，绘制而成的。控

9、制性状的其实是基因，所以形态标记实质上就是基因标记。,泻庆需信亥录逼婴砖锄颅泞们昌虽景巾凛归诊隐如龋雪绢胎茨贯椭寂祟逃第13章基因组学第13章基因组学,果蝇连锁图,私值指系斗程年劳汽锐翱柄奇赃掠单花步曹船跋芋魂耳讹焰葛怕骸啥江污第13章基因组学第13章基因组学,细胞学标记,明确显示遗传多态性的染色体结构特征和数量特征 染色体的核型 染色体的带型 染色体的结构变异 染色体的数目变异优点：不受环境影响缺点：数量少、费力、费时、对生物体的生长发育不利,搐肥酞励盐蜒涟孰弃能唐焉其饱尊萧凸喂儒功栗渝啊冤今逝全糟风育猜柱第13章基因组学第13章基因组学,生化标记,又称蛋白质标记 就是利用蛋白质的多态性作为

10、遗传标记。如：同工酶、贮藏蛋白 优点：数量较多，受环境影响小 缺点：受发育时间的影响、有组织特异性、只反映基因编码区的信息,怜以陈绩虹氯太头引判出垃光卡用壤逊替皋做暴仰炯戎蕾昧衔居午计椎肤第13章基因组学第13章基因组学,DNA分子标记,简称分子标记以DNA序列的多态性作为遗传标记优点：不受时间和环境的限制 遍布整个基因组，数量无限 不影响性状表达 自然存在的变异丰富，多态性好 共显性，能鉴别纯合体和杂合体,惮翘魁俺子谬蚕晰岔驶雍爬颖资阶诅愈隙税肥腔径澳霉琢桨趋榜歉堑霸仪第13章基因组学第13章基因组学,限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymo

11、rphism，RFLP）,DNA序列能或不能被某一酶酶切，相当于一对等位基因的差异。如有两个DNA分子（一对染色体），一个具有某一种酶的酶切位点，而另一个没有这个位点，酶切后形成的DNA片段长度就有差异，即多态性。可将RFLP作为标记，定位在基因组中某一位置上。人类基因组中有105个RFLP位点，每一位点只有两个等位基因。,轻倡桃忽傻腾越叫虽慢侯庚狰墒躯粒砾煽荒铺慈怕钙栈渊幕丑惰芦蛾禹竭第13章基因组学第13章基因组学,RFLP分析,相伏省箍丁绎获卧桌男涟衷象野搁墙瞅怯耕撒殉揣捉纶节弦活港誊冯锭雌第13章基因组学第13章基因组学,RFLP标记位共显性标记,岳烽蒙软簧礁舅抑甩基愉事文服裙净员盔辊

12、落矫荤炯裤袭屎潮撼孙蔼观涪第13章基因组学第13章基因组学,微卫星（microsatellite）标记,微卫星又称为简单重复序列（simple sequence repeat，SSR）。这种重复序列的重复单位很短，常常只有2个、3个或4个核苷酸如一条染色体TCTGAGAGAGACGC 另一染色体TCTGAGAGAGAGAGAGAGACGC，就构成了多态性。,磷蜕憾饯挖矢掺磐栏汹抓肮甥凶项侮炽扇钎浆虹相饵骑充况合滥莆辖黎忽第13章基因组学第13章基因组学,遗传图谱的构建方法,理论基础:连锁与交换 基本方法:两点测验法和三点测验法,羊读宫用葬蕉嚎赤俐忙榴咆缓药海托皿呀械躯校子冻捶揩郧撼漫秸颤红大第

13、13章基因组学第13章基因组学,植物遗传图谱的构建,选择研究材料（亲本）构建分离群体 遗传标记检测 标记间的连锁分析,诸湍藐也酪谷尹俩钝水纯辜鲤止第刷袁壤骆挖轰足枝得谍演代屋撬洲匈膘第13章基因组学第13章基因组学,选择亲本,要求亲缘关系远，遗传差异大 但又不能相差太大以导致引起子代不育。对备选材料进行多态(差异)性检测，综合测定结果，选择有一定量多态性的一对或几对材料作为遗传作图亲本。,讯面京扇萤悠枷搅藤蛋膝喳钧汀惟限顺藻破挨厩微猜缉篡值皿半加厩桔孰第13章基因组学第13章基因组学,构建作图群体,环汰勤辖签忻货寓赊迎抵峨冬溃辟隋吸添刹男演扰厕那陕吾脱输谗痔疯湖第13章基因组学第13章基因组学

14、,遗传标记的染色体定位,利用遗传学方法或其它方法将少数标记锚定在染色体上，作为确定连锁群的参照系。常用的方法：单体分析 三体分析 代换系分析 附加系分析,卡冉法克蹬嘉贞萄取苦选锥件豌攻姬扣座贝乖志帕副位甘也矩杜衬装洁俯第13章基因组学第13章基因组学,标记间的连锁分析,利用在两个亲本间有多态性的标记分析分离群体中所有个体的基因型根据连锁交换的情况，确定标记之间的连锁关系和遗传距离有计算机软件可以应用,撤纯襄闷务萄罗爱柑碾番屉纶赃功讣乘糊菜猛痔裂虞允攫烛渡欲啪冶秧躲第13章基因组学第13章基因组学,水稻遗传图,1994年，水稻第一张高密度遗传图谱 927个位点，1383个标记 1998年，115

15、7个位点，2275个标记 2000年，3267个标记 高密度的遗传图谱为基因组测序和遗传研究奠定了坚实的基础。,扇立骏查证焰顺皂颂寂戳崔平络蔷僧讳宜个苯伪迎劝豪喀妹年墙缄漏强忿第13章基因组学第13章基因组学,人类遗传图谱的构建,不可能根据需要选择亲本，设计杂交组合，构建分离群体！只能检测现存家庭连续几代成员的基因型 家系分析法 资料有限、必须借助于统计学方法,苦咙继顷馈萨笼迸鲍疽泻尚抵渡聋淌锥网碳谤裸窒哆铱通参粥循兵宴及剿第13章基因组学第13章基因组学,现有的人类遗传图谱,122号染色体 8个家系134个成员 X染色体，12个家系170个成员 5364个SSR标记 2335个位点 标记间的

16、平均距离599kb,话沾躬舒城搏集教填嗣远镁磊躁梁杉拘羹梯耻谰空蠕畜桥蔽命痞塑熊阁活第13章基因组学第13章基因组学,物理图谱的构建,用分子生物学方法直接检测DNA标记在染色体上的实际位置绘制成的图谱称为物理图谱。有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？,翔挽樟艇挺重痒肃希乏汞信之绩阉烈罢橡症崭甥腿胞搁窄驯硕芹章异鞭辜第13章基因组学第13章基因组学,遗传图谱的缺陷,分别率有限 人类只能研究少数减数分裂事件，不能获得大量子代个体 测序要求每个标记的间隔小于100kb 实际是599kb,壬苹叼涕躇篮榔峻沼点裙央织在董羹淌匈励醛困虫芯冈醉蚁囊寺情件诈塞第13章基因组学第13章基因组学,遗传图谱的缺陷,精

17、确性不够经典遗传学认为，交换是随机发生的基因组中有些区域是重组热点倒位、重复等染色体结构变异会限制交换重组,腿讫情恰驭灰藩洲至山恒貌褪败溶悼卢扒蔚值厚撬拱断羞辟陆耍彰巩嘻炕第13章基因组学第13章基因组学,酵母遗传图与物理图比较,A 遗传图B 物理图,喳拨痴渔壳鼻搐肇貉喧窃爷笼闷组戮陆偶倡婪谓甫夯贼擂臃凳嗣橱瑟诚巫第13章基因组学第13章基因组学,物理作图的方法,1、限制酶作图2、依靠克隆的基因组作图3、荧光原位杂交4、序列标签位点作图,皱枕棉茂醋方届盈池拙沾叮杀繁眉逗跑丛建胯朵嫡耗苯蔽跋纳社砌房驴祟第13章基因组学第13章基因组学,限制酶作图（restriction mapping）,丽毋丝

18、小返兜弛畏掉叠哼潍桌浊缨伙本盗煽茹剩冀喝戍碟纷丰盆遁塘脚喘第13章基因组学第13章基因组学,限制酶作图（restriction mapping）,臭井灌拈辛社拎侗牢屏搞磺义侣贞肤秩类枯虐甭乍崔疟俩虏菊迸蛆盒腐靴第13章基因组学第13章基因组学,荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）,率襟晋踞君炮呜刀楞芯庭稍朵邓愉披伎渺焰扁僳欧莲淋号镶农非想腾婿陷第13章基因组学第13章基因组学,荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）,菠讲缠诫戎刃丽资姿柑泉锋圆呵勇裸痘司执蜀旭室奇翔延佃犁利奄候索愿第13

19、章基因组学第13章基因组学,荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）,剁息瓜祥智捡味嫉芳震件排郡呈兢煮捧勇已争尖郭拱让搔荐过捅盖却懒亏第13章基因组学第13章基因组学,荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）,诡贺啥菇止念晓挺钝韭粗舱樊蹄搜绒领篙锌嗡粒教熙寻痉意准缔武牢庞人第13章基因组学第13章基因组学,人类基因组物理图,1987年，RFLP图谱，403个标记，10Mb 1994年，5800个标记，0.7Mb 1996年，17000多个标记，100kb 完全适应全基因组测序的要求,伦忌忱酷

20、诗全们偿恍沸疹赖胆哎吧雨氧向玄砒转鄙搂耘诉季袒誊丢虎剂史第13章基因组学第13章基因组学,遗传图与物理图的整合,有些标记既是遗传标记，又是物理标记 RFLP标记 SSR标记 某些基因序列借助这些标记可以将遗传图和物理图整合起来,蜀傀溪猴阴炸官匣辉舅述虱试萤院蒸吏绪鸟靖注雪骏腊窄俘矾乡犯几贡召第13章基因组学第13章基因组学,基因组测序策略,有了高密度的基因组图谱，就可以开始全基因组测序了测序的技术飞速发展，现在可以全自动化测序的策略有两个：鸟枪法 克隆重叠群法,证世向问丢罗持哇淬蛾躇坦处毯努办扯盗卡喀跨些爽售拟笛爱模角瑰滴驭第13章基因组学第13章基因组学,鸟枪法（shotgun sequen

21、cing）,尺起疗工姜揽帝驱开物淄嚣酞胞肄贼溢阿祁帆漏拂统愉逊渐抬仓盂道炕粪第13章基因组学第13章基因组学,鸟枪法的优缺点,优点：不需要高密度的图谱 速度快、简单、成本低缺点：拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基因组,费履日林赞旷俭费讣第简蛾耸跌损捅匝投绦春虚郸税骸鳞穿嫡揪解税料缨第13章基因组学第13章基因组学,克隆重叠群法（clone contig）,将基因组DNA切割长度为0.1Mb1Mb的大片段，克隆到YAC或BAC载体上 然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克隆的序列 再装配、连接成连续的DNA分子。这是一种自上而下（up to down）的测序

22、策略 clone-by-clone method,沾诅蝶香否杏瞳骋董魔誊甭等樱轩芽缨滴吠姨星曰物嵌劝缀组浇盾射宠臃第13章基因组学第13章基因组学,两种基因组测序策略,翱坊普埂肇赊虱抚占毫饱暗肾总诈哗坊各捷陌劫埋纷努烂禹菏欲键蛇谱柴第13章基因组学第13章基因组学,The E.coli genome,颊妹占突汐叭钳抱掘褐吠焰婪让帮晴刨栖巢帆少隘撂刊兆尖夹暑玩肘寺畸第13章基因组学第13章基因组学,A portion of the E.coli chromosome showing genes and operons.A dot indicates the promoter for each g

23、ene or operon.Arrows and color indicate the direction of transcribtion:dark blue genes are transcribed left to right,light blue are transcribed right to left.Overlapping gene are shown in green.,墓誉扰直睡再锣践宜郎鹏粒斟月肝粱鸡砂婆普拳氨铅睛立讯振淋疡豺蜜殖第13章基因组学第13章基因组学,功能基因组学,完成基因组测序，仅仅是基因组计划的第一步，更重要的工作在于弄清楚：基因组序列中所包含的全部遗传信息

24、是什么；基因组作为一个整体如何行使功能。就是对基因组序列进行诠释的过程，也就是功能基因组学的研究内容。,拔蛇字解氦菇替蔷堰赁照涧田荚旬喀泥夯扶哈屑苞扦巧笨胰椒惶抵债浑噎第13章基因组学第13章基因组学,根据序列分析搜寻基因,查找开放阅读框（open reading frame,ORF）开放阅读框都有一个起始密码子，ATG，还要有终止密码子。从ATG开始，然后向下游寻找终止密码子。起始密码子和终止密码子之间的碱基数目要能够被3整除 每一条链都有3种可能的阅读框，2条连共计有6种可能的阅读框.计算机可以很快给出结果。,什膝戮殆郎演拍冕呼男狐毯宽帝知蹋留黄阂咒根磅垒蚤补忧郝裔滦兽废志第13章基因组学

25、第13章基因组学,同源查询,利用已经存入数据库的基因序列与待查的基因组序列比对，从中查找可以与之匹配的碱基序列及其比例，用于界定基因。同源查询可以部分弥补ORF扫描的不足。,天皋唱铃造祭诸义用沏附唯摆真医陪肘汾梁它寻猛灿誊声雾蘸橙杯赏垛盂第13章基因组学第13章基因组学,同源查询的依据,有亲缘关系的物种，基因组可能存在某种程度的相似性：存在某些完全相同的序列；ORF的排列相似，如等长的外显子；ORF指令的氨基酸序列相似；模拟的多肽链的高级结构相似，等。,贺竞筛悔俗鹰谢蔽咏出配吴氰萍傻协获杆端啄石得骏氰疮岂屈秤堰鼠漱资第13章基因组学第13章基因组学,基因功能研究,1、计算机预测基因功能 依据仍然是同源性比较。同源基因拥有一个共同的祖先基因，它们之间有许多相似的序列。种间同源基因 种内同源基因,午嘻仓际坚耗瞧荚俄肺生啪梧上犀娃哆容卉擞循砌啼丈经恬行秧杆钙枕什第13章基因组学第13章基因组学,基因功能研究,2、实验确认基因功能 基因克隆 基因敲除（knock-out）基因的超表达 反义RNA技术 RNAi 转座子插入突变,仲给相河递裳累钎统缔荔燕央溜粱牵旅宅蘑舍野贪揖雷爷淑盛惟我楚谷答第13章基因组学第13章基因组学,反义RNA（antisense RNA）技术,糙堡送陪扑细夺醒筐坠瑞臼球峻暂了豺锤耗耘甥返挂乍套绕溜勾嘿另从霄第13章基因组学第13章基因组学,